Екатерина Шульман
о новой роли
российского парламента

Чёрная дыра пустила в струю

Установлен механизм ускорения вещества в космических струях

Артём Тунцов 24.04.2008, 18:12

Грандиозные космические струи, бьющие из окрестности чёрных дыр, удалось разглядеть в мельчайших деталях. Теперь астрономы уверены, что знают, как они образуются. Российские наблюдения оказались ключевыми для выяснения этого механизма.

Международной команде астрономов, в которую входили и российские учёные, удалось в небывалых деталях пронаблюдать процесс выброса вещества из сверхмассивной чёрной дыры в центре далёкой галактики. Теперь они знают, как возникают огромные космические струи, вещество в которых подчас ускоряется до скорости лишь немногим меньше скорости света. Работа учёных опубликована в последнем выпуске Nature.

Представлять себе чёрную дыру как объект, который бесконечно засасывает в себя окружающее вещество, не выпуская ничего наружу, не совсем правильно. В конце концов, если бы они ничего не выпускали наружу, мы о них никогда бы и не узнали. Притяжение чёрных дыр настолько сильно, что в сферу их влияния часто попадает больше материи, чем они в реальности способны поглотить. Как показывают наблюдения, избыток выбрасывается из чёрных дыр в виде пары узких, направленных в противоположные от чёрной дыры стороны струй, которые русские астрономы на английский манер называют джетами.

Вообще, джеты – явление довольно универсальное, но чаще всего встречается именно при падении вещества на какой-то центральный объект. Это не обязательно должна быть чёрная дыра. В качестве притягивающего центра могут выступать и другие объекты – например, очень плотные нейтронные звёзды или даже протозвёзды – «эмбрионы» обычных звёзд, в них вещество, которому предстоит в дальнейшем стать частью звезды, долго собирается из межзвёздных облаков, оседая на поверхность образующегося светила.

На самом деле, образование двух выбросов не столь уж удивительно. Как показали ещё в начале 70-х годов XX века советские астрофизики Николай Иванович Шакура и Рашид Алиевич Сюняев, почти каждый раз, когда происходит падение вещества на притягивающий центр – этот процесс называется аккрецией, — образуется так называемый аккреционный диск. Только взаимное трение слоёв такого газового диска друг о друга способно погасить скорость их вращения: без трения вещество на притягивающий центр упасть не cможет, а так и будет вращаться вокруг неё по своей орбите.

Поскольку внешние слои диска давят на внутренние, то излишки могут выбрасываться только над и под диском – вот вам, казалось бы, и два джета.

Удивительно другое – что струи оказываются настолько узкими, а вещество в них движется с огромными скоростями.

В конце 1970-х годов британский астрофизик Роджер Блендфорд и его аспирант Роман Знаек предложили первый хорошо проработанный механизм образования быстрых и узких струй. Согласно их модели, «костью в горле» чёрной дыры встаёт магнитное поле. В горячей плазме, в которую превращается при приближении к чёрной дыре газ, электромагнитные и механические свойства вещества перемешиваются, поскольку и те, и другие определяются движением заряженных частиц (в обычном веществе переносчики заряда составляют лишь ничтожную его часть). В результате магнитные силовые линии оказываются «вморожены» в вещество и, будучи вдали от чёрной дыры ориентированы случайным образом, с его закручиванием вокруг чёрной дыры заплетаются в своего рода жгуты, у которых появляется выделенное направление – по оси вращения.

Кроме того, вблизи вращающихся чёрных дыр работает и ещё один механизм – здесь кручение чёрной дыры увлекает за собой само пространство, а с ним – и вещество, и магнитное поле. Вдоль этого направления и устремляется вещество, выбрасываемое от поверхности чёрной дыры. Причины таких выбросов могут быть различны. Например, сильное, меняющееся магнитное поле может – как в турбине электростанции – рождать мощнейшие электрические разряды, которые рвут и перезамыкают магнитные линии и ускоряют заряженные частицы. Вращающееся, закрученное магнитное поле ещё больше разгоняет их. По дороге заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, излучают свет, врезаются в нейтральное вещество. В результате образуются джеты.

Блендфорд и Знаек описали лишь самый общий механизм, однако за прошедшие 30 лет другие теоретики значительно улучшили и усложнили эту модель, объяснив многие остававшиеся за её рамками вопросы. Кроме того, появились и альтернативные модели образования джетов, однако надёжных наблюдательных данных, способных определить, какая модель работает на самом деле, до сих пор не было.

Группе учёных из США, России, Великобритании, Финляндии, Италии и Грузии удалось получить доказательства, что работает именно механизм Блендфорда--Знаека.

Точнее, той его модификации, что была предложена недавно греческим астрофизиком Нектариосом Влахакисом и его американским коллегой Ари Кёниглом.

Астрономы под руководством Алана Маршера из Бостонского университета создали целую «сеть» для наблюдения за сверхмассивными чёрными дырами, расположенными в центрах далёких галактик. Аккреция вещества на них провоцирует явление активного галактического ядра, самые яркие из которых называют квазарами. Чтобы выяснить мельчайшие подробности движения вещества в джете потребовалось почти каждую ночь следить за блеском, внешним видом и поляризацией излучения объектов с помощью целой батареи оптических и радиотелескопов; в космосе им помогали орбитальные телескопы, работающие в рентгеновском и гамма-диапазоне.

Из-за очень высоких скоростей вещества в джетах (около 98–99% скорости света) их излучение оказывается сконцентрировано в узком конусе диаметром несколько градусов. Учёные сосредоточились на особо ярком типе квазаров, в конус излучения которых попадает Земля. Их называют блазарами или лацертидами, по имени первого объекта такого рода, обнаруженного в прошлом веке, – «переменной звезды» BL Lacertae, или BL северного созвездия Ящерицы, оказавшейся на поверку ядром галактики, находящейся почти в миллиарде световых лет от нашей звёздной системы.

Собственно, с прототипом всех подобных объектов – самим BL Lac – учёным и повезло. На синтетических радиоизображениях, построенных синхронизированными радиотелескопами, находящимися в разных уголках земного шара, на месте этой «звезды» виден отходящий к югу от ядра галактики джет длиной около тысячной доли угловой секунды, на котором заметно более или менее стационарное яркое пятно. В ядре расположена чёрная дыра массой около 200 миллионов солнц. Собственно, самого галактического ядра как некоего яркого выделяющегося объекта не видно – в отличие от джета, оно излучает не только в нашу, но и во все остальные стороны. Второй джет, скорее всего, также присутствует, но увидеть его тоже не удаётся: конус излучения направлен в противоположном нам направлении.

Один-два раза в год, совершенно нерегулярным образом, блеск BL Lac резко увеличивается – это чёрная дыра впрыскивает в струю очередную порцию вещества и энергии. Яркие выбросы проносятся вдоль джета, как кажется (смотрите справку), со сверхсветовыми скоростями и, постепенно слабея, растворяются в джете.

Подобное событие произошло в конце октября 2005 года. Блеск блазара в оптическом диапазоне вырос почти в три раза, а спустя чуть больше месяца – в декабре – произошла вторая вспышка. Измерения блеска вели сразу пять оптических обсерваторий в Европе, Азии и США. Тем временем радиоастрономы, используя сеть Национальной радиоастрономической обсерватории США, проследили распространение яркого пятна по джету. Измерения потока рентгеновских лучей и ещё более энергичных гамма-квантов тем временем позволили оценить энергии, до которых были ускорены частицы в распространявшемся вдоль джета облаке.

Наблюдения показали, что в обоих случаях блеск менялся из-за увеличения яркости движущегося вдоль джета выброса. Более того, появилось оно ещё до того, как произошла первая вспышка.

Именно две вспышки и предсказывает модель, основанная на ускорении вещества закрученным магнитным полем.

Вторая вспышка происходит при пересечении выбросом стационарной ударной волны, которую мы видим как неизменное яркое пятно. Она возникает при взаимодействии ускоренного в джете вещества с окружающим газом, сжимая и то, и другое. Сравнение оптических и радионаблюдений показало, что блеск вырос именно тогда, когда выброс пересекал пятно на джете, и был сжат ударной волной.

Модель ускорения и коллимирования джета // Wolfgang Steffen/«Газета.Ru»
Модель ускорения и коллимирования джета // Wolfgang Steffen/«Газета.Ru»

Возникновение первой вспышки ещё интереснее. Выброс движется с огромной скоростью, близкой к скорости света, которая к тому же постоянно растёт. Из-за этого конус, в котором сосредоточено его излучение, постоянно сужается, а его яркость – растёт. Однако до поры до времени этот фонарик светит не прямо на нас, а в сторону, поскольку вещество движется вдоль стенки «сопла», которое образуют скрученные силовые линии. Однако рано или поздно магнитные силовые линии «растворяются» в хаотичном магнитном поле газа, окружающего сопло. В этот момент выброс оказывается свободным, и «фонарик» смотрит прямо на нас – мы видим вспышку.

Но это объяснение – в рамках данной модели, и использовать его для её обоснования сомнительно. Мало ли от чего произошла вспышка. Рисунок, приведённый выше (а есть и видеоролик (90МБ) и даже песня – осторожно, весьма двусмысленная), остаётся рисунком, астрономы пока не научились видеть далёкие объекты в таких деталях. Теория стала бы гораздо убедительней, если бы ориентацию направления излучения «фонарика» и магнитного поля можно было бы действительно измерить.

И вот здесь в работе очень пригодились данные, полученные российскими астрономами.

Они измерили направление плоскости поляризации оптического излучения – направление, в котором колеблется электрический вектор световой волны, приходящей от блазара.

Как рассказал «Газете.Ru» Владимир Александрович Гаген-Торн из Астрономического института Петербуржского университета, данные о поляризации, полученные им и его коллегами на телескопе АЗТ-8 Крымской астрофизической обсерватории, а также наблюдения на телескопе имени Койпера Стюардовской обсерватории в Аризоне позволили проследить, как изгибалась траектория движения выброса со временем.

Как оказалось, двигаясь от начала «магнитного сопла» к его концу, вещество совершило полтора оборота вдоль его стенки. Как и предсказывает теория, угол закрутки его траектории существенно меньше угла закрутки магнитных силовых линий – «шаг винта», по которому двигалось вещество, значительно шире, чем шаг закрученных линий магнитного поля. Эти данные позволяют рассчитать, как изменялось движение вещества со временем, и результаты подсчёта отлично сошлись с наблюдениями. Поляризационные данные также позволили примерно оценить размер выброса.

«Мы лишь дали фотометрию (измерение блеска – «Газета.Ru») и поляриметрию», — скромно заметил Гаген-Торн, являющийся соавтором работы.

Но именно эти данные позволили узнать, как именно двигалось вещество в джете, и удостовериться, что мы правильно понимаем механизм его ускорения.

Впрочем, учёные осторожны в своих выводах. Пока неизвестно, насколько применима эта модель к струям, бьющим из окрестностей других сверхмассивных чёрных дыр, и уж тем более – к джетам протозвёзд. По словам астронома, пока получить такие чёткие данные для других объектов не получается, хотя учёные продолжают свои измерения. Но это и не удивительно. Данная работа – пионерская. «Если бы подобных данных было много, не было бы статьи в Nature», – заключил Гаген-Торн.